基于广播RTK边缘计算的北斗高精度地质灾害监测系统及应用分析

2021-09-16江思义刘小明李志宇

水文地质工程地质 2021年5期

朱真，江思义，刘小明，李志宇

（广西壮族自治区地质环境监测站，广西南宁 530029）

地质灾害由于其突然性、监测数据难以实时获取等特点，使监测工作异常困难[1]。随着科学技术的发展，地质灾害监测方法和监测仪器设备日新月异[2-3]，监测仪器的研制向高性能、高精度、高效益、全方位、全自动的方向发展[4-6]。目前，欧美和日本等发达国家基本利用通信技术实现了地质灾害的自动化实时监测[1,7-10]，在监测技术方面主要有布里渊散射光时域反射技术（BOTDR）、合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）、激光扫描技术（LIDAR）、岩石发声监测技术等。Hiroshige Ohno等[7]通过布里渊散射光时域反射技术（BOTDR），获得光纤在某一点的应变信息，如将光纤铺设在地质灾害高易发区域，可探知相关区域的形变；Marco Corsetti 等[8]利用全新的对地观测技术—合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR），通过提取地表的三维信息和高程变化信息，能够检测出毫米级别的地形变化，该技术进一步发展出差分干涉技术（DINSAR）；Hannah M.Cooper等[9]通过激光扫描技术（LIDAR）对被检测物体进行快速网格式扫描测量，通过激光点获取所接触物体表面的空间位置等信息，使测量物体的表面形态完整呈现，达到精准监测的目的；Haddad K等[10]通过岩石发声监测技术，利用岩体或岩石变形破坏过程中其贮存的部分能量以应力波的形式释放出来，产生声发射，据此达到监测目的。近年来，这些先进的监测技术在国内得到了大力推广，应用最为广泛的数据传输技术是GPRS/CDMA以及短信通信[11-12]。

目前全球导航卫星系统（GNSS）定位技术的日益发展，使得工程测量更加精密。GNSS不需要基准点和监测点之间通视，测量范围也不受限制，同时具有高数据采样率，因而其在工程变形监测方面，具有独特的测量优势[13]。随着北斗卫星导航定位系统、传感器技术、现代通信技术及计算机技术的快速发展[14-15]，如何将这些先进技术应用于地质灾害监测与预警，实现地质灾害高性能、高精度、高效益、全方位、全自动的监测与预警，成为国内外学者研究的重要课题。

当前，地质灾害监测技术方法众多[16-17]。传统的地表变形监测技术通常采用全球导航卫星系统定位（GNSS）技术配合4G通信技术进行监测数据的采集和传输。实现该技术，一是需要在监测点周边建设卫星导航定位基准站，为监测点提供精确的定位信息；二是需要监测点有4G信号覆盖，用于发送定位数据和回传监测信息。因此，该类技术的局限性在于，一是需要在监测点周边建设成本较高的卫星导航定位基准站，二是对于边远山区等4G通信信号不稳定的地区监测稳定性不佳，三是每个监测点都需要支付后续数据流量费用。此外，如果不自行建设导航定位基准站，使用省级连续运行卫星定位服务参考站（CORS站）系统提供导航定位服务，以提供测绘定位服务为主的平台也无法适应数量众多的监测点海量、不间断的定位服务请求。因此，为实现大规模地质灾害隐患点的实时监测，建立高效、精确、低成本的监测体系将具有重要的工程意义[18]。

针对广西地质灾害发生数量众多、涉及范围较广的特点，由广西壮族自治区自然资源厅联合广西壮族自治区广播电视局、深圳思凯微电子有限公司、武汉大学等多家单位，研发建立了基于广播RTK边缘计算的北斗高精度地质灾害监测系统，本文全面系统论述了该系统设计组成、特点，分析了系统的可行性，并以广西梧州市长洲区宝石园8号地块不稳定斜坡为例进行了示范应用研究，为该系统更好地为各级管理部门的决策和指挥抢险救灾提供科学依据，为同类地区地质灾害监测预警做出贡献。

1 系统设计

基于广播RTK边缘计算的北斗高精度地质灾害监测系统是结合现代化工业自动化控制、卫星定位技术、现代通信技术、计算机网络技术、数据库技术、地理信息技术和信息分析预测技术[19]，采用的主要技术组成及特点分述如下。

1.1 高精度定位服务网络RTK差分定位技术

差分改正数的定位精度主要从以下几个方面进行优化，其一，结合研究区低纬度的特点，采用Melbourne-Wübbena组合计算双差整周模糊度；其二，利用每条基线的GNSS观测值、双差整周模糊度、精确的基准站位置坐标等计算每条基线的电离层延迟、对流层延迟及综合误差；其三，根据电离层变化率和宽巷组合进行实时周跳探测，削弱卫星钟差等造成的改正数误差精度影响，并插值确定网络RTK用户的差分改正信息。网络RTK数据处理流程图如图1所示。

图1 网络RTK数据处理流程图Fig.1 Network RTK data processing flow char

1.2 数据网格化优化技术

我国部分地区基准站网密度小，基准站组网技术存在缺陷，如少数地区不稳定或定位精度较差，导致用户服务量级较小等问题，拟采用数据网格化优化技术，在数据处理、数据分析等阶段实行高分辨率分区处理。并通过云平台授权管理用户的导航定位精度（米级/分米级/厘米级），实现对内有效地对基准站进行运维管理、对外高效地监管用户，开发智慧专题应用在地质灾害监测、桥梁监测、智慧农机等行业中，并形成一体化位置与导航服务和示范应用。

1.3 卫星导航地基增强信号播发技术

数字广播技术（CDRadio）用于卫星导航地基增强系统的建设，除了需要考虑差分数据传输过程中的时延与误码率等问题，更多的还需解决地基增强系统多个站点的联网问题，实现全国“一张网”的服务能力。此外，针对广播式播发差分数据带来的定位精度不均匀、存在比例误差的问题，通常采用网格化处理来进行改善。这要求广播系统能有效支持多网格数据的同步传输和高效解析，以满足终端对低功耗、高可靠性的要求。

为此，在CDRadio数字广播技术的基础上，深入研究卫星导航增强数据的网格化播发技术和多频点广播信号的切换技术。该技术将某一区域划分网格，播发对应网格的卫星导航增强数据，再同手机切换信号基站原理类似，终端以接收信号强弱为判断指标，自动切换接收强信号频点。

2 系统特点

基于广播RTK边缘计算的北斗高精度地质灾害监测系统是以国家对地质灾害监测的标准和要求为依据、实时采集监测信息并传输到地灾监测中心进行分析与处理、具有高效实用、精准可靠、自动化程度高的地质灾害监测系统。该系统可实现毫米级精准测量、实时远程监测；简单快速计算、整理海量数据；方便扩充其他数据采集终端；在线共享数据信息和及时预警，达到监测数据采集自动化、传输网络化、处理标准化、分析科学化。该系统基于微软的NET开发平台，利用C++和C#语言开发，应用面向对象的软件编程等理论与高新技术。系统中的广播RTK边缘计算技术、GNSS数据处理算法、变形监测预报模型等最新技术具有自主知识产权，并集成Internet技术、LPWAN技术、GPRS/CDMA技术、数据库技术、计算机网络技术于一体，自动获取软、硬件监测数据信息，动态维持GNSS监测网。通过建立良好的系统信息交互平台，将系统形成的统计分析信息高速便捷地传递给用户，可有效提高用户系统管理、决策、应用能力；充分挖掘系统数据资源，提供实时预报服务，最大限度降低空间环境因素对实时高精度定位的影响；不仅提供全天候、全自动化、高精度变形监测服务，还提供了变形监测分析管理系统。方便用户自主接入基准站和监测站，对监测站变形数据进行实时和全天候全周期分析，统计监测点实时位移、位移速率、累计位移等，从多角度展示分析结果，对可能发生灾害的监测点进行实时预警，形成“一站式”地质灾害监测预警预报服务平台。

基于广播RTK边缘计算的北斗高精度地质灾害监测系统克服了传统地质灾害监测[2]（传感器类、声纳类、光波类、影像类、频谱类监测手段等）的不足，具有以下的优势和特点：①结合了GNSS监测技术、FM广播数据播发技术、LPWAN通信技术，能实现大范围监测布网。②更加灵活，监测点位之间无须通视。③反应迅速，数据获取时间仅需几分钟。④定位准确，可直接提供三维坐标及其绝对或相对变化量，没有变形范围限制。⑤自动化程度高，实现了远程控制、监测、数据下载与共享，利于预警信息迅速发布。⑥可提供实时大气水汽含量并进行降雨预报，对地质灾害频发地区有很好的预警作用。

3 系统测试

3.1 系统功能测试

2020年6月1日至2020年6月30日，对系统功能和技术指标进行了测试。测试内容包括功能可用性、性能指标及操作便捷性。旨在发现系统功能错误或遗漏、数据结构或外部数据库访问错误、初始化和终止错误。测试方法包括错误推测法、边界值分析法、因果图法、等价类划分法等。系统界面操作简单明确，各项功能均能正常运行，性能指标满足系统设计要求，充分满足了用户的各项需要，可进一步进行推广应用。

3.2 数据传输稳定性测试

对2020年3月20日至2020年6月1日现场网络回传服务器的解算结果数据进行了分析，对系统的网络通信功能稳定性进行测试。选择测试站点W001、W002、W003、W004的数据参与了本次测试。其中，W001站点位于监测边坡后侧稳定处，北侧有一处高压线输电塔，需着重分析其数据传输受高压电线的影响。测试结果表明，监测边坡4个测站的数据传输状态十分稳定，在测试期间从未出现数据丢失或中断现象，4个点的回传结果中差分固定解比例分别为99.52%、99.97%、99.99%、99.99%，即使是靠近高压电塔的W001点，差分固定解率也达到99%以上，满足实时动态监测的要求（表1）。

表1 监测点解算状态表Table 1 Solution state of the monitoring points /%

由于变形监测工作环境的复杂性和不确定性，GNSS信号容易受到强烈干扰，造成变形监测时间序列出现粗差，且变化波动范围较大。大规模粗差会导致无法准确反映变形体的实际变形，对其稳定性分析及评价甚至灾害预警应急都会带来不可忽视的影响，故对解算结果进行粗差探测十分必要。

3.3 解算结果精度分析

（1）粗差探测

测试采用经典粗差探测方法—3σ法，结合最小二乘残差法得到解算结果坐标残差序列Rn，利用贝塞尔公式计算其标准差σ，如果解算结果存在大于3σ的残差，即：∣Ri∣＞3σ，i=1,2,···,n，则被认为是粗差，置信水平为99.7%。测试结果如图2所示。

可见，测试结果表明监测期内站点坐标在东西方向（E）、南北方向（N）和高程方向均存在毫米级位置偏移，不存在显著坐标变化。

（2）内符合精度

测试选取的监测点无基准坐标，故通过评价内符合精度，以估计的最似然估值为比对基准，反映解算坐标序列之间的离散程度，一般用标准差σ来度量。表2是测试期内4个监测点东西、南北和高程方向的标准差。

表2 监测点标准差Table 2 Standard deviations of the monitoring points

可见，标准差基本保持在毫米级，考虑监测点实际运动的情况，解算结果十分稳定。

在遵循软件工程基本原则的同时，充分考虑标准化、可扩展性、实用性、现实性、安全性、前瞻性等建设原则，开发的集设备监控、管理数据处理、信息交互、定位、空间环境监控于一体的北斗高精度地质灾害监测系统，能长时间稳定运行，满足功能性需求和非功能性需求在内的所有用户需要。

4 应用实例

4.1 研究实例概况

广西是地质灾害较为频发的地区之一。梧州市长洲区宝石园8号地块不稳定斜坡处于构造剥蚀-侵蚀丘陵地貌区，地层岩性处于碎屑岩与花岗岩交界地带，该不稳定斜坡位于梧州市区长洲区新闻路北侧，其中人工边坡坡高8.1～63.0 m，坡宽138.5 m，西部分4级放坡，下部3级8.0～9.0 m，坡度45°～52°，上部第1级8.0～23 m，坡度50°～60°，东部、中部产生滑坡后大致形成直线型边坡，坡度48°～52°，坡脚滑坡堆积体高度10.0～17.0 m，坡度20°～40°；整个人工边坡坡面裸露，无防护措施；上部自然坡度5°～10°，植被较发育，覆盖率达到80%以上，主要生长松树、灌木、杂草等，在坡脊位置架设了2座高压线电塔，其中最近1座距人工边坡坡脚36.0 m，电塔基础采用独立基础，埋深4.0～5.0 m；边坡主要物质成分由第四系坡积黏土、残积砂质黏性土及全风化、强风化岩组成；受降雨影响，人工边坡坡面岩土体经常出现剥坠落现象，2016年在开挖、降雨等影响下该边坡出现明显变形，边坡坡面出现滑坡，体积约5 850 m3，边坡坡顶出现5条主要卸荷裂缝，裂缝最宽达0.4 m，大部分具下错现象，最大下错0.5 m。目前该斜坡稳定性差，在强降雨影响下有可能产生整体失稳，出现整体滑坡。监测试点位于小区北面山坡，坡面布设有6个GNSS表面位移监测设备（图3）。GNSS监测设备结构将多种器件集于一体，柱体内部有GNSS接收机、CDRadio接收机、LORA模块、锂电池和电源控制器；柱体外部有避雷针、北斗天线、CDRadio天线、LORA天线和太阳能板（图4）。

图3 边坡范围及监测设备布置情况Fig.3 Slope area and monitoring equipment layout

图4 基合主设备结构及现场情况Fig.4 Structure and site condition of the main equipment

2020年5月1日至2020年11月17日监测的水平位移及沉降结果如表3、图5所示。

图5 监测点水平位移曲线Fig.5 Horizontal displacement diagram of monitoring point

表3 监测点变形监测结果Table 3 The measurement results of the monitoring points

4.2 监测结果分析及建议

梧州宝石园北部边坡坡顶存在明显的裂缝，且土质松动，上部由碎土层覆盖，发生滑坡危险性较高。在此监测项目中，S001号点位于坡顶后缘，处于整个坡体中较为稳定的区域，S002、S003、S004、S005、S006监测点依次沿坡顶自西向东排列，处于现有裂缝前端，所处位置较为松动，易发生滑坡甚至塌方危险。

2020年5月的监测数据分析比较表明，整个坡体处于蠕变阶段，坡顶前缘有向外侧蠕动且下沉的趋势。S001号点累计位移与解算误差值处于同一水平，可视该点几乎处于静止状态。S002、S003监测点位水平方向坡体外沿移动约7 mm，S004、S005监测点位水平方向坡体外沿移动4～5 mm，S006号监测点垂直方向位移达14 mm，且垂直方向均有明显下沉。整个坡体有向东南方向倾斜发育的趋势。

鉴于以上分析，建议加强现场巡查及坡体东南侧的灾情预防，预留应急缓冲区域，避免在坡脚危险区域停靠车辆、盖建住房，时刻关注该边坡的发育情况。